Erde aus dem Takt

Der Mond bremst die Drehung der Erde. Deshalb werden die Tage länger, und alle ein bis zwei Jahre muss eine Schaltsekunde eingefügt werden. Doch zum 1. Januar 2004 gab es das fünfte Jahr in Folge keine zusätzliche Sekunde. Warum sich die Erde schneller dreht als früher, wird jetzt erforscht.

„Der längste Tag", so lautet der Titel eines Kinofilms, der von den Ereignissen des 6. Juni 1944 handelt. An diesem Tag landeten amerikanische, britische und kanadische Truppen in der Normandie, wo sie auf den erbitterten Widerstand der deutschen Armee trafen. Der Filmtitel mag das Empfinden der Soldaten treffend wiedergeben – aus wissenschaftlicher Sicht ist er eine glatte Lüge.

Denn im Mittel dauerte im Jahr 1944 ein Tag „nur" 24 Stunden und 1,48 Millisekunden, also etwa eine anderthalb tausendstel Sekunde länger als unsere Zeitrechnung für einen Tag vorsieht. Den längsten Tag muss es dagegen irgendwann im Laufe des Jahres 1912 gegeben haben. „Leider kann ich nicht das genaue Datum nennen. Die Analyse, die ich zur Bestimmung der Tageslängen durchgeführt habe, basiert auf Ein-Jahres-Durchschnitten", bedauert Richard Gross vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena. Das Jahr 1912 hatte Gross zufolge eine durchschnittliche Tageslänge von 24 Stunden und 3,83 Millisekunden. „Meine Analyse reicht zurück bis ins Jahr 1832. Andere Wissenschaftler haben Tageslängenmessungen ab 1656 ausgewertet. Auch sie kamen zu dem Ergebnis, dass die längsten Tage in den Jahren 1911 oder 1912 lagen. Ich kann allerdings nicht ausschließen, dass es vor 1656 einen noch längeren Tag gegeben hat."

Obwohl Gross sich vorsichtig ausdrückt: Alles spricht dafür, dass die Tage des Jahres 1912 tatsächlich die bisher längsten der Erdgeschichte waren – abgesehen vielleicht von jenen in den wilden jungen Jahren der Erde, als Zusammenstöße mit anderen Himmelskörpern die Drehgeschwindigkeit unseres Planeten immer wieder änderten.

Die Gezeitenkräfte des Mondes bremsen die Rotation der Erde kontinuierlich ab. Im Mittel werden die Tage deshalb pro Jahrhundert um etwa 1,7 Millisekunden länger. Man weiß das so genau aufgrund der Aufzeichnungen historischer Mond- und Sonnenfinsternisse, die bis zurück ins Jahr 700 v.Chr. ausgewertet wurden. Demzufolge müssten die bisher längsten Tage der Erdgeschichte die heutigen sein. Doch der stetigen Abnahme der Drehgeschwindigkeit der Erde sind zahlreiche kurz-, mittel- und langfristige Schwankungen überlagert. Für sie gibt es verschiedene Ursachen: das Klimaphänomen El Niño, Erdbeben, Staudämme, die Klimaerwärmung und Wechselwirkungen des flüssigen Erdkerns mit dem Erdmantel.

Auch wenn sich die Abweichungen der tatsächlichen Tageslängen vom 24-Stunden-Tag unserer Zeitrechnung nur im Millisekunden-Bereich bewegen: Im Lauf eines Jahres summieren sie sich – zurzeit im Durchschnitt zu etwa einer halben bis zu einer ganzen Sekunde. Das ist der Grund, weswegen die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig, die in Deutschland per Gesetz zur „Hüterin der Zeit" bestimmt wurde, etwa alle ein bis zwei Jahre die Zeit anhält und eine zusätzliche Sekunde einfügt. Die Koordinierte Weltzeit (UTC) wird von der Internationalen Union für Telekommunikation (ITU), einer UN- Institution, als Grundlage für die gesetzliche Zeit in allen Ländern empfohlen. In der Empfehlung ist die Einführung der Schaltsekunden enthalten.

Weil viele der Phänomene, die die Erddrehung beeinflussen, in unregelmäßigen Abständen wiederkehren und bisher nur schwer oder gar nicht vorhersagbar sind, ist eine starre Regelung mit einem periodischen Einfügen einer Schaltsekunde nicht möglich. Nicht einmal dasselbe Phänomen hat jedes Mal die gleichen Auswirkungen. Ein Beispiel ist der El Niño – eine zwei bis sechs Jahre um die Weihnachtszeit im südlichen Pazifik auftretende Störung mit weltweiten Folgen für das Klima: Sie verstärkt insbesondere die Durchschnittsgeschwindigkeit der ostwärts gerichteten Wind, allerdings jedes Mal unterschiedlich stark. Weil die Erde sich ebenfalls nach Osten dreht, muss ihre Drehgeschwindigkeit sich infolgedessen etwas verringern – das verlangt der Drehimpulserhaltungssatz.

Dawei Zheng von der Polytechnischen Universität Hongkong hat zusammen mit seinen Kollegen die beiden stärksten El-Niño-Ereignisse des letzten Jahrhunderts miteinander verglichen. „Der Einfluss von El Niño auf die Tageslänge ist jedes Mal anders", sagt Zheng. Die Forscher fanden heraus, dass das El-Niño- Ereignis der Jahre 1982/1983 einige Tage um 0,83 Millisekunden verlängerte. Die Effekte aller anderen Einflussfaktoren wurde dabei herausgerechnet. Das Ereignis von 1997/ 1998 fügte dagegen mehreren Tagen nur eine halbe Millisekunde hinzu – das aber über einen längeren Zeitraum hinweg. Für ihre Auswertung nutzten Zheng und seine Kollegen die täglichen Drehimpulsdaten der Atmosphäre, die von Meteorologen aus den Windgeschwindigkeiten errechnet werden, und die Tageslängendaten, die der Internationale Erdrotationsdienst (IERS) bereitstellt.

Der IERS ist es auch, der die Anweisung zum Einfügen einer Schaltsekunde erteilt. „Der Erdrotationsdienst sammelt die Tageslängendaten und erstellt daraus eine Prognose für die nächsten zwölf Monate. Jeweils ein halbes Jahr im Voraus gibt der IERS bekannt, ob am 1. Januar oder am 1. Juli eine Schaltsekunde eingefügt wird oder nicht. Der IERS trägt die Verantwortung dafür, dass der Zeitfehler nie größer als 0,9 Sekunden wird", erklärt Wolfgang Dick vom Zentralbüro des IERS, das seit kurzem in Deutschland beim Bundesamt für Kartographie und Geodäsie in Frankfurt am Main angesiedelt ist.

Zwischen der Einführung der Schaltsekunde im Jahr 1972 und dem 1. Januar 1999 wies der Erdrotationsdienst die deutsche PTB und die entsprechenden Institutionen in anderen Ländern insgesamt 22-mal an, eine Schaltsekunde einzufügen. Die längste Zeit ohne Schaltsekunde waren dabei die zweieinhalb Jahre zwischen dem 1. Juli 1985 und dem 1. Januar 1988. Doch seit 1999 wartet man in Braunschweig vergeblich auf eine Anweisung des IERS. Auch zum 1. Januar 2004 wurde keine zusätzliche Sekunde eingefügt. Denn die Erde dreht sich seit einigen Jahren schneller als zuvor.

Ob Erdbeben der Grund für die beschleunigte Erddrehung sein könnten, hat Gross zusammen mit seinem Kollegen Benjamin Chao vom Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, untersucht. Die beiden analysierten die etwa 11000 stärksten Beben zwischen 1977 und 1993. Zusätzlich werteten sie die Daten der acht Hauptbeben des letzten Jahrhunderts aus. Demnach erhöhte das größte Erdbeben – am 22. Mai 1960 in Chile – die Drehgeschwindigkeit der Erde und verkürzte die Tageslänge so um 8,4 Millionstel einer Sekunde. Dagegen verlängerte das zweitstärkste Beben – am 28. März 1964 in Alaska – den Tag um 6,8 Millionstel einer Sekunde.

Solch eine zufällige Verteilung der Zu- und Abnahmen ist eigentlich zu erwarten, da die Bewegung der Erdmassen bei Erdbeben im Mittel keine bevorzugte Richtung hat. Doch die Gesamtauswertung aller 11000 Beben ergab etwas anderes: Gross und Chao fanden einen Überschuss von 1273 Beben, die die Erddrehung beschleunigten. Die beiden Forscher schließen daraus: Erdbeben neigen dazu, die Erde runder zu machen und zu verdichten. Im Mittel wird durch sie Masse in Richtung Rotationsachse verlagert. Wie bei einer Eiskunstläuferin, die ihre Arme an den Körper zieht, erhöht sich deshalb die Drehgeschwindigkeit.

Doch der Gesamteffekt ist winzig. Die mittlerweile ausgewerteten 19000 größten Erdbeben zwischen 1977 und 2003 haben in dieser Zeit die Tageslänge in der Summe um etwa vier Millionstel Sekunden verkürzt. Das ist um das Tausendfache zu wenig, um die fehlenden Schaltsekunden zu erklären.

Immerhin doppelt so groß ist der Effekt durch den Bau der 88 größten Staudämme. Sie verkürzten die Tageslänge seit 1940 um etwa acht Millionstel Sekunden, wie Chao errechnet hat. Das ist zwar ebenfalls zu wenig, um die fehlenden Schaltsekunden zu erklären, aber trotzdem signifikant. Außerdem räumt Chao ein, dass die von ihm berücksichtigten Dämme nur etwa 40 Prozent der auf der Erde gestauten Wassermassen repräsentieren. Aber selbst wenn man alle zusammen berücksichtigen würde, käme kaum mehr als eine Verkürzung der Tageslänge um 20 Millionstel einer Sekunde heraus.

Die Erklärung basiert wiederum auf dem Phänomen der rotierenden Eiskunstläuferin. Denn durch die Staudämme werden Wassermassen in der Summe näher an die Drehachse der Erde herangebracht. Der Grund ist die geographische Verteilung der Dämme. Viele Staudämme befinden sich in mittleren nördlichen oder südlichen Breiten und nur wenige nahe am Äquator. Bloß am Äquator ist der Abstand zur Rotationsachse der Erde gleich dem Erdradius, also etwa 6370 Kilometer. Auf dem 50. Breitengrad beispielsweise – das ist etwa die Höhe von Frankfurt am Main – beträgt der Abstand zur Drehachse nur noch etwa 4100 Kilometer. An Nord- und Südpol ist der Abstand null. Da das Wasser der Staudämme letztlich dem Meer entnommen wird, findet in der Summe – so das Ergebnis von Chaos Analyse – eine Verlagerung von Wassermassen in Richtung Erdrotationsachse statt.

In Brüssel bei der Königlichen Sternwarte ist auch das IERS-Spezialbüro für den Erdkern angesiedelt. „Man glaubt, dass für Schwankungen der Erdrotation in Zeiträumen von Jahren und Jahrzehnten der Erdkern verantwortlich ist, obwohl die Atmosphäre und der Ozean dabei auch eine Rolle spielen dürften", sagt Véronique Dehant vom IERS und der Königlichen Sternwarte Belgiens. Eine von der Professorin geleitete internationale Forschergruppe, an der auch Wissenschaftler der Technischen Universitäten Dresden und München sowie des GeoForschungsZentrums Potsdam mitarbeiten, hat im November den Descartes-Preis der Europäischen Union für die präzise Vermessung der Bewegung der Erdachse erhalten. Die Daten und Modelle werden globale Navigationssysteme so weit verbessern, dass sie Positionen auf der Erde mit Fehlern von nur noch zwei bis drei Zentimetern bestimmen können (bislang: von zwei Metern).

„Es gibt verschiedene Kopplungsmechanismen, durch die Erdkern und Erdmantel Drehimpuls austauschen", erläutert Dehant weiter. Und fügt hinzu: „Eine Konsequenz dieser Schwankungen ist, dass wir zurzeit keine Schaltsekunden einfügen müssen."

Auch Richard Gross vom Jet Propulsion Laboratory ist überzeugt, dass der Erdkern die Hauptverantwortung für die fehlenden Schaltsekunden trägt. „Die vom Erdkern verursachten Schwankungen der Tageslänge können bis zu mehrere Millisekunden groß werden: Zum Beispiel war in den siebziger Jahren die Tageslänge etwa drei Millisekunden länger als 24 Stunden. Deshalb mussten wir jedes Jahr eine Schaltsekunde einfügen. Doch zurzeit dauern die Tage fast exakt 24 Stunden, so dass wir keine Schaltsekunden brauchen."

Einigen Wissenschaftlern wäre es am liebsten, wenn das auch in Zukunft so bliebe. Sie wollen die Schaltsekunden abschaffen – und dabei in Kauf nehmen, dass unsere Nachfahren um das Jahr 5000 herum um Mitternacht zu Mittag essen müssen. Bis dahin würde sich der Zeitfehler nämlich auf einen halben Tag addieren.

Ein Grund, weshalb das Einfügen einer Schaltsekunde zur Zitterpartie werden könnte, ist nachlässig programmierte Computersoftware, also ein ähnliches Problem wie beim Jahr-2000-Übergang. Anfang der neunziger Jahre soll aus diesem Grund das Satellitennavigationssystem GLONASS – das russische Pendant zum amerikanischen GPS – 20 Stunden lang ausgefallen sein. Das wurde auf einer ITU-Konferenz, die sich mit der Zukunft der Schaltsekunde beschäftigte, letztes Jahr in Turin berichtet.

Corinna Kroner von der Universität Jena sieht solche Probleme nicht. Sie und ihre Kollegen werten Erdbebenwellen aus und untersuchen zeitliche Schwankungen im Gravitationsfeld der Erde. „ Für uns ist das Einfügen einer Schaltsekunde nicht problematisch. Die Software, die diese Information benötigt, kann per Hand problemlos umgestellt werden." Auch Gerd Gendt vom GeoForschungsZentrum Potsdam erwartet durch das Einfügen einer Schaltsekunde keine Schwierigkeiten. Trotzdem wäre es seiner Meinung nach problemlos möglich, sie abzuschaffen: „Dann wäre es bei der Modellierung von Daten nicht mehr notwendig, ständig Schaltsekundentabellen manuell anzupassen, und eine Fehlerquelle entfiele."

Auf der Turiner Konferenz einigte man sich auf die Empfehlung, die Schaltsekunde im Jahr 2022, genau 50 Jahre nach ihrer Einführung, wieder abzuschaffen. Bis zur endgültigen Entscheidung wird die Diskussion mit allen beteiligten Institutionen noch Jahre in Anspruch nehmen.

Aber möglicherweise erledigt oder entschärft sich das Problem ja irgendwann in den nächsten Jahrhunderten von selbst. Denn es gibt eine mysteriöse, etwa tausendjährige Schwankung, die die Tage um bis zu fünf Millisekunden verlängert oder verkürzt. Um das Jahr 1500 hatte diese Periode ihren Maximalwert. Seit 1820 wirkt sie zunehmend der Rotationsbremse durch den Mond entgegen. „ Dieser Effekt könnte die Tage für eine ganze Weile sogar wieder kürzer werden lassen", sagt Dave Rubincam vom Goddard Space Flight Center der NASA. Rubincam hat eine Theorie entwickelt, die diese Periode mit der unterschiedlichen Schwerkraft durch Dichteschwankungen in Erdkern und Erdmantel erklärt.

Rubincam nimmt an, dass sich im äußeren flüssigen Erdkern aufgrund der Hitze dann und wann aufsteigende Blasen („Blubbs") bilden, die wärmer und damit weniger dicht sind als ihre Umgebung. Im Erdmantel existieren ebenfalls Dichte-Anomalien (siehe bild der wissenschaft 04/2002, „Von Glutpilzen und heißen Flecken"). Da die Schwerkraft bei dichteren Bereichen von Erdkern und Erdmantel stärker ist als bei weniger dichten Anomalien, entsteht ein Drehmoment – eine Kraft, die die Drehung des Erdmantels relativ zu der des Erdkerns abbremst oder beschleunigt, je nach Verteilung der Anomalien. Rubincam konnte nun – mit plausiblen Annahmen über die bisher allerdings nicht nachgewiesenen „Blubbs" im Erdkern – berechnen, dass sich dadurch eine Schwankung der Erdrotation mit einer Periode von etwa 1000 Jahren ergibt.

Auch die mittelfristige Schwankung, die eine Ursache ist, weshalb man aktuell keine Schaltsekunde braucht, ist noch nicht vorbei. „Ihre Länge ist schwer vorauszusagen, weil es sich nicht um ein streng periodisches Phänomen handelt", sagt Richard Gross. „Solche mittelfristigen Schwankungen können Jahrzehnte dauern. Wir scheinen das Minimum noch nicht überschritten zu haben. Der 13. Juli 2003 war fast eine Millisekunde kürzer als 24 Stunden. Damit war er der kürzeste Tag in den letzten 100 Jahren."

Kurz vor Redaktionsschluss teilte der Internationale Erdrotationsdienst mit: Auch am 1. Juli 2004 wird keine Schaltsekunde eingefügt.

 

KOMPAKT

• Die Tageslänge hat sich in den letzten Jahrzehnten um mehrere Millionstel einer Sekunde verkürzt. Ursache könnten unter anderem Erdbeben und Staudämme sein. • Die Klimaerwärmung wird die Rotation der Erde abbremsen und die Tage verlängern. • Wissenschaftler wollen die Schaltsekunde abschaffen. Konsequenz: Unsere Nachfahren müssten im Jahr 5000 um Mitternacht zu Mittag essen.

Axel Tillemans

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